Capítulo 3 Programação Concorrente. Nunca encontrei um homem tão ignorante que eu não pudesse aprender algo com ele.

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1 Universidade Federal de Itajubá UNIFEI Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação IESTI CCO 004 Sistemas Operacionais Prof. Edmilson Marmo Moreira 3.1 Introdução Capítulo 3 Programação Concorrente Nunca encontrei um homem tão ignorante que eu não pudesse aprender algo com ele. Galileu Galilei A Concorrência existe quando, em um determinado instante, dois ou mais processos começaram a sua execução, mas não terminaram. Ela pode existir com um único processador, quanto em sistemas com múltiplos processadores. Afirmar que processos estão sendo executados em paralelo implica na existência de mais de um processador, ou seja, paralelismo (paralelismo físico) ocorre quando há mais de um processo sendo executado no mesmo intervalo de tempo. Quando vários processos são executados em um único processador, sendo que somente um deles é executado a cada vez, tem-se um pseudo-paralelismo (paralelismo lógico). Com base nas definições, é possível definir três tipos de estilo de programação dentro da computação: Programação Seqüêncial: caracteriza-se pela execução de várias tarefas uma após a outra; Programação Concorrente: caracteriza-se pela iniciação de várias tarefas, sem que as anteriores tenham necessariamente terminado; Programação Paralela: caracteriza-se pela iniciação e execução das tarefas em paralelo (sistemas multiprocessadores).

2 Exemplo de Algoritmos para a preparação de um jantar: Seqüencial: Abrir o refrigerador Se estiver vazio Então vá ao restaurante Senão Preparar Salada Preparar Carne Preparar Sobremesa Comer. Sistemas Operacionais Notas de Aula Cap.03-2 Concorrente: Abrir o refrigerador Se estiver vazio Então vá ao restaurante Senão lavar a alface Colocar de molho Temperar a carne colocar a carne para cozinhar preparar a sobremesa escorrer a alface temperar a alface retirar a carne do forno Comer. Paralelo: Fernando: Abrir o refrigerador Se estiver vazio Então vá ao restaurante Senão Temperar a carne Preparar a sobremesa Comer. Marina: Se estiver vazio Então Vá ao restaurante Senão Preparar a Salada colocar a carne para Cozinhar Retirar a carne do Forno Comer.

3 Sistemas Operacionais Notas de Aula Cap.03-3 Paralelismo Físico Processo 1 Processos Processo 3 Processo 2 Tempo Paralelismo Lógico P1 P1 Processos P2 P3 P2 Tempo Motivação para a Programação Concorrente Aumento do Desempenho. Desvantagens da Programação Concorrente Programação mais complexa. Existência do não determinismo.

4 Sistemas Operacionais Notas de Aula Cap Especificação de Paralelismo Várias construções para a ativação e término de processos concorrentes são discutidas na literatura, apresentando características e finalidades distintas. Os principais modelos serão discutidos a seguir. Corotinas Corotinas são subrotinas que possuem um modo de transferência de controle não hierárquico. Corotinas transferem o controle entre si de maneira livre, através do comando resume corotina. E sempre que são ativadas, executam a partir do ponto onde foi executado a última chamada à resume. Sempre existe apenas uma corotina ativa em cada instante, o que implica na adequação desta estrutura para a organização de programas concorrentes que compartilhem uma única CPU. program P; call A; end; corotina A; resume B; resume B; corotina B; resume A; return;

5 Sistemas Operacionais Notas de Aula Cap.03-5 CoBegin/CoEnd São também conhecidas como ParBegin e ParEnd, estes comandos oferecem uma maneira estruturada de ativação de um conjunto de instruções que devem ser executadas concorrentemente. A execução concorrente das declarações S 1, S 2,, S n pode ser ativada através da estrutura: Cobegin S1 S2 Sn Coend O processo pai será bloqueado até que S 1, S 2,, S n estejam terminadas. C A B D E F G H A cobegin C begin B cobegin D E F coend G end coend H Fork/Join O comando Fork implica que um determinado conjunto de instruções (processo filho) deve iniciar a sua execução em paralelo com o processo que o executa (processo pai). O comando Join é utilizado para a sincronização do processo pai com os filhos gerados.

6 Sistemas Operacionais Notas de Aula Cap.03-6 C A B D E F G H A m=2 fork c B n=3 fork e fork f D join m,g; quit g:g join n,h; quit h: H quit c: C join m,g; quit e: E join n,h; quit f: F join n,h; quit DoAll Este comando pode ser visto como um comando CoBegin/CoEnd onde as instruções executadas em paralelo são as diversas instâncias de um bloco de comandos dentro de um comando de iteração. Alguns comandos de função semelhante são: forall, pardo e doacross.

7 Sistemas Operacionais Notas de Aula Cap.03-7 for i=0 to 2 do a[i] = doall i=1 to 2 a[i] = a[0]= a[0]= a[1]= a[2]= tempo a[1]= a[2]= tempo loop sequencial loop paralelo 3.2 Problema da Seção Crítica A seção crítica ou região crítica é uma parte do código de um processo que faz acesso a recursos compartilhados. Muitos problemas podem surgir quando vários processos fazem acessos a dados ou recursos compartilhados de forma paralela ou concorrente. Os mecanismos de sincronização devem evitar a concorrência nas regiões críticas, permitindo que somente um processo esteja executando sua região crítica de cada vez. Essa idéia de exclusivismo de acesso é denominada Exclusão mútua. Exclusão Mútua Se um processo estiver sendo executado em sua seção crítica, é preciso impedir que todos os outros processos entrem em suas próprias seções críticas. Reciprocamente, não se pode permitir que um processo entre em sua seção crítica se qualquer outro processo estiver em sua própria seção crítica.

8 Sistemas Operacionais Notas de Aula Cap.03-8 Processo 1 Inicio código não crítico IniciaExclusão Inicio {seção crítica} seção crítica Fim {seção crítica} TerminaExclusão código não crítico Fim Processo 2 Inicio código não crítico IniciaExclusão Inicio {seção crítica} seção crítica Fim {seção crítica} TerminaExclusão código não crítico Fim O problema da exclusão mútua leva as seguintes perguntas: Como garantir a exclusão mútua? O que pode ser feito antes que um processo entre em sua seção crítica para garantir a exclusão mútua? Deve-se fazer alguma coisa quando um processo termina a sua seção crítica? Na Figura anterior, cada processo faz referência a um comando chamado IniciaExclusão antes de sua seção crítica, e cada um se refere a um comando chamado TerminaExclusão depois de sua seção crítica. IniciaExclusão deve fazer o seguinte: Verificar se qualquer outro processo está em sua própria seção crítica e esperar se houver algum. Passar à execução da seção crítica se nenhum outro processo estiver em sua própria seção crítica. TerminaExclusão deve informar a todos os outros processos que um processo terminou a execução de sua própria seção crítica.

9 Sistemas Operacionais Notas de Aula Cap.03-9 Soluções de Hardware As soluções de hardware são importantes pois criam mecanismos que permitem a implementação das soluções de software. Desabilitação de Interrupções A solução mais simples para o problema da exclusão mútua é fazer com que o processo, antes de entrar em sua região crítica, desabilite todas as interrupções externas e as reabilite após deixar a seção crítica. Como a mudança de contexto só pode ser realizada através de interrupções, o processo que as desabilitou terá acesso exclusivo garantido. Processo 1 Inicio código não crítico Desabilita_Interrupções seção crítica Habilita_Interrupções código não crítico Fim Esse mecanismo é inconveniente por vários motivos. O maior deles acontece quando o processo que desabilitou as interrupções não torna a habilitá-las. Nesse caso o sistema, provavelmente, terá seu funcionamento seriamente comprometido. A desabilitação das interrupções é útil ao SO quando este necessita manipular estruturas de dados compartilhadas do sistema, como lista de processo. Assim, o SO garante que não ocorrerão problemas de inconsistência em seus dados. Instrução Test-And-Set Muitos processadores possuem uma instrução especial, que permite ler uma variável, armazenar seu conteúdo em uma outra área e atribuir um

10 Sistemas Operacionais Notas de Aula Cap novo valor a essa variável. Esse tipo de instrução é denominado instrução test-and-set. A principal característica dessa instrução é ser sempre executada sem interrupção, ou seja, trata-se de uma instrução indivisível (atômica). A instrução test-and-set possui o seguinte formato: Test-and-Set (X, Y); Na execução dessa intrução o valor lógico da variável Y é copiado para X, sedo atribuído à variável Y o valor lógico verdadeiro. Para coordenar o acesso concorrente a um recurso, a instrução test-andset utiliza uma variável lógica global. Quando essa variável for falsa, qualquer processo poderá alterar seu valor para verdadeiro, através da instrução test-and-set e, assim, acessar o recurso de forma exclusiva. Ao terminar o acesso o processo deve simplesmente retornar o valor da variável para falso, liberando o acesso ao recurso.

11 Sistemas Operacionais Notas de Aula Cap Program Programa_Test_and_Set; Var Bloq : Boolean; Procedure ProcessoA; var PodeA : Boolean; begin repeat PodeA := True; while PodeA do Test_and_Set(PodeA, Bloq); {seção crítica} Bloq := False; end; Procedure ProcessoB; var PodeB : Boolean; begin repeat PodeB := True; while PodeB do Test_and_Set(PodeB, Bloq); {seção crítica} Bloq := False; end; begin Bloq := False; CoBegin ProcessoA; ProcessoB; CoEnd; end; Soluções de Software Além da exclusão mútua, que soluciona os problemas de compartilhamento de recursos, três fatores fundamentais para a solução dos problemas de sincronização deverão ser atendidos: O número de processadores e o tempo de execução dos processos concorrentes devem ser irrelevantes; Um processo, fora de sua região crítica, não pode impedir que outros processo entrem em suas próprias regiões críticas; Um processo não pode permanecer indefinidamente esperando para entrar em sua região crítica. As primeiras soluções de software para o problema da exclusão mútua entre processos possuiam, de forma geral, duas inconviniências:

12 Sistemas Operacionais Notas de Aula Cap provocavam starvation e utilizavam um mecanismo de espera ocupada (busy wait). Além da exclusão mútua, que soluciona os problemas de compartilhamento de recursos, três fatores fundamentais para a solução dos problemas de sincronização deverão ser atendidos: 3.3 Semáforos O conceito de semáforo foi proposto por Dijkstra, como uma solução mais geral e simples de ser implementada, para os problemas de sincronização entre processos concorrentes. Um semáforo é uma variável inteira, não negativa, que só pode ser manipulada por duas instruções atômicas: DOWN e UP, também chamadas, originalmente, instruções P e V. No caso da exclusão mútua, as instruções DOWN e UP funcionam como protocolos de entrada e saída, respectivamente, para que um processo possa entrar e sair de sua região crítica. O semáforo fica associado a um recurso compartilhado, indicando quando o recurso está sendo acessado por um dos processos concorrentes. Se seu valor for maior que 0, nenhum processo está utilizando o recurso; caso contrário, o processo fica impedido do acesso. Sempre que deseja entrar na sua região crítica, um processo executa uma instrução DOWN. Se o semáforo for maior que 0, este é decrementado de 1, e o processo que solicitou a operação pode executar sua região crítica. Entretanto, se uma instrução DOWN é executada em um semáforo cujo valor seja igual a 0, o processo que solicitou a operação ficará no estado de espera, em uma fila associada ao semáforo. O processo que está acessando o recurso, ao sair de sua região cr tica, executa uma instrução UP, incrementando o semáforo de 1 e liberando o acesso ao recurso. Se um ou mais processos estiverem esperando o sistema escolhe um processo na fila de espera e muda seue estado para pronto.

13 Sistemas Operacionais Notas de Aula Cap Type Semaforo = record Valor : integer; Fila_Espera : (*Lista de Proc.pendentens *); end; Procedure DOWN (var S : Semaforo); begin if S.Valor = 0 then Insere_Proc.Fila_Espera else S.Valor := S.Valor - 1; end; Procedure UP (var S : Semaforo); begin if (Tem_Proc_Fila) then Retira_Proc.Fila_Espera else S.Valor := S.Valor + 1; end; 3.4 Monitores O uso de semáforos exige dos programadores bastante atenção, pois os problemas que podem resultar dos uso incorreto dos semáforos podem ser difícieis de reproduzir devido ao não determinismo das tarefas. Dessa forma foi proposto por Hoare o mecanismo denominado monitor. Um monitor é um conjunto de procedimentos, variáveis e estruturas de dados definido dentro de um módulo (semelhante a uma classe, da programação orientada à objetos). A característica mais importante de um monitor é a implementação automática da exclusão mútua, pois somente um processo pode estar executando os procedimentos do monitor em um determinado instante. Se um processo requisitar um procedimento do monitor, será verificado se já existe outro processo executando algum procedimento do monitor. Se isto ocorre o processo fica aguardando até o monitor estar disponível novamente. A principal diferença entre monitores e semáforos é que a exclusão mútua, no caso do monitor, é implementada automaticamente pelo compilador e não pelo programador, como é o caso dos semáforos.

14 Sistemas Operacionais Notas de Aula Cap Estrutura do Monitor Variáveis Globais Fila de Espera Procedimentos Código de Inicialização A implementação da sincronização condicional não é tão simples quanto a da exclusão mútua. Para implementá-la, é necessário utilizar variáveis de condição e duas instruções que operam sobre elas: WAIT e SIGNAL. Uma variável de condição é uma estrutura de dados do tipo fila, onde os processos esperam por algum evento. Sempre que o monitor descobre que alguma condição impede a continuação da execução de um processo, ele realiza um WAIT, fazendo com que o processo fique no estado de espera na fila associada a essa condição. Uma característica do monitor é permitir que um processo possa executar um de seus procedimentos, mesmo que um ou mais processos estejam no estado de espera dentro do monitor. O processo bloqueado só poderá prosseguir sua execução quando um outro processo executar um SIGNAL, sobre a mesma condição que o colocou no estado de espera.

15 Sistemas Operacionais Notas de Aula Cap Troca de Mensagens Em sistemas com memória distribuída, se torna inviável o uso de semáforos ou monitores, pois os processos que executam em processadores diferentes não possuem acesso ao mesmo endereçamento de dados. Nesse caso a única maneira de haver comunicação é através da troca de mensagens que é realizada pelas primitivas SEND e RECEIVE. Existem, basicamente, duas formas de comunicação entre processos pela troca de mensagens: comunicação síncrona e comunicação assíncrona. A comunicação síncrona acontece quando um processo que envia uma mensagem fica aguardando até que o processo receptor leia a mensagem ou quando o processo receptor espera pelo envio de uma mensagem por algum processo. A comunicação assíncrona ocorre quando nenhum processo fica bloqueado, nem o processo emissor nem o processo receptor. Nesse caso é necessária a utilização de buffers para o armazenamento temporário das mensagens. A vantagem da comunicação assíncrona é o maior paralelismo entre as tarefas. Já a comunicação síncrona permite a realização de sincronização entre os processos.

16 Sistemas Operacionais Notas de Aula Cap Bibliografia: DEITEL, H. M., DEITEL, P. J. & CHOFFNES, D. R. Sistemas Operacionais 3a. Edição: Person (2005) São Paulo / SP MACHADO, F. B. & MAIA, L. P. Arquitetura de Sistemas Operacionais 3a. Edição: LCT (2002) Rio de Janeiro / RJ SANTANA, R. H. C.; et. alli. Computação Paralela Apostila ICMC - USP SILBERSCHATZ, ABRAHAM & GALVIN, PETER B. Operating System Concepts 5 th Edition: John Wiley (1999) Massachusetts STALLINGS, WILLIAM Operating Systems 2 nd Edition: Prentice-Hall (1995) TANENBAUM, ANDREW S. Sistemas Operacionais Modernos 2ª. Edição. Person (2003) São Paulo / SP TANENBAUM, ANDREW S. & WOODHULL, ALBERT S. Operating Systems: Design and Implementation 2 nd Edition: Prentice-Hall (1997) Upper Saddle River / NJ TOSCANI, S. S.; OLIVEIR, R. S. & CARISSIMI, A. S. Sistemas Operacionais e Programação Concorrente Editora Sagra-Luzzatto (2003) Porto Alegre / RS

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